Air Pollution in the Arctic Winter (A-PAW): an Italian contribution to the ALPACA field experiment

Indice Progetti
Acronimo
A-PAW
Area di ricerca
Atmospheric sciences
Tematica specifica di ricerca
Il progetto è un contributo all'esperimento internazionale ALPACA tenutosi a Fairbanks (AK) nel gen-feb 2022 e con un focus sulla qualità dell'aria nelle città Artiche
Regione di interesse
USA, Alaska, Interior, Fairbanks
Sito web progetto
PI
Stefano Decesari
Istituzione PI
CNR-ISAC
Sito web istituzionale
https://www.isac.cnr.it/
Altre Istituzioni e soggetti coinvolti
CNR-ISP, Università Ca' Foscari
Consistenza del team ricerca
Il progetto coinvolge 7 ricercatori (3 PI di cui una donna) ed un tecnologo. Le attività di ricerca sono state supportate dal Centro per la criosfera artica "Aldo Pontremoli" con tre postdoc coinvolti.
Stato progetto
Completato
Il progetto

L'esperimento ALPACA (ALaskan Pollution And Chemical Analysis), coordinato dall'Università dell'Alaska in Fairbanks, è il primo grande esperimento internazionale sulla qualità dell'aria nelle città artiche. La campagna sperimentale, che ha avuto luogo tra gennaio e febbraio 2022 a Fairbanks, ha cercato di delineare le cause degli eventi critici di inquinamento da particolato atmosferico (PM) delle città artiche nei periodi di alta pressione durante i mesi invernali. Sono state considerate le possibili sorgenti da combustione (dal riscaldamento domestico alle centrali termiche) e le variabili meteorologiche tipiche dei mesi freddi alle alte latitudini. Sono state inoltre caratterizzate le deposizioni nevose. Infine, il progetto ha coinvolto associazioni di cittadini interessate al miglioramento della qualità dell'aria a Fairbanks, nonché enti regolatori e di monitoraggio (EPA).

Immagini
  • Motivazione, importanza della ricerca

    A dispetto delle loro spesso ridotte dimensioni, le città artiche possono presentare notevoli problemi di inquinamento dell'aria. Ad esempio, una città come Fairbanks (100,000 abitanti) presenta dei superamenti del valore limite EPA di 35 µg/m3 per le PM2.5 per 7 volte al mese durante la stagione invernale. Questo è dovuto ad un mix di effetti dovuti all'intensificazione delle sorgenti da combustione nei mesi freddi e di fattori meteorologici che tendono ad intrappolare gli inquinanti nei bassi strati. ALPACA è sponsorizzato dalle comunità IGAC e PACES, nonché dall'AWG della IASC. L'esperimento è considerato uno studio pilota da replicarsi in altri ambienti artici.

    Obiettivi della proposta

    Il contributo del progetto italiano A-PAW (programma PRA) è quello di:

    a) caratterizzare la composizione chimica e la tossicità del PM10 in un sito di fondo urbano di Fairbanks,

    b) determinare i flussi di deposizione del particolato e la distribuzione verticale degli aerosol nello strato limite planetario,

    c) caratterizzare gli inquinanti nel manto nevoso.

    Attività svolta e risultati raggiunti

    La campagna sperimentale ha avuto luogo tra gennaio e febbraio 2022 nonostante il rischio sanitario dovuto alla pandemia. Le misure del team italiano sono state eseguite presso un sito di fondo urbano a Fairbanks, detto "Farm", nella periferia nord-occidantale della città. Sono state eseguite misure di flussi di particelle a 10 m dal suolo. Misure di inquinanti gassosi (BTEX) sono state effettuate al suolo e all'interno del payload di un pallone frenato, così come a bordo di un mezzo mobile. I campioni di PM10 e di neve sono stati prelevati e trasportati in Italia per le analisi di laboratorio. I dataset sono stati integrati con le osservazioni effettuate dagli altri partner di ALPACA, con misure effettuate presso il "Farm" o presso altri siti nell'area cittadina di Fairbanks e zone limitrofe. Si è osservato che in condizioni di elevata stabilità atmosferica, l'accumulo degli inquinanti è concentrato nei primi 10 - 50 m di altezza dal suolo, con notevoli disomogeneità tra i quartieri cittadini. Nelle aree più periferiche, come il "Farm", la maggiore ventilazione produce più turbolenza alla superficie, sostenendo in questo modo un flusso di calore e di aerosol tra il suolo innevato e l'aria sovrastante. Ne consegue che i livelli di contaminanti nella superficie nevosa al "Farm" sono paragonabili a quelli del centro città, nonostante le concentrazioni in aria molto inferiori. Questo studio dimostra lo stretto legame tra meteorologia e composizione dell'atmosfera e scambi atmosfera-criosfera negli ambienti artici.

    Prodotti

    PUBLICATIONS:

    1. Donateo A., G. Pappaccogli, F. Scoto, M. Busetto, F.L. Lovisco, N. Brett, D. Keller, B. Barret, E. Dieudonné, R. Pohorsky, A. Baccarini, S. Bekki, J.-C. Raut, J. Schmale, K.S. Law, S.R. Arnold, G.J. Fochesatto, W.R. Simpson, S. Decesari. Aerosol dry deposition fluxes on snow during the ALPACA campaign in Fairbanks, Alaska. Accepted for publication on Atmospheric Chemistry and Physics.
    2. Fochesatto G.J., K.S. Law, J.Schmale, S.Decesari, W.R.Simpson, R.Pohorsky, B.Barret, A.Baccarini, E.Dieudonné, N.Brett, R.Gilliam, D.Keller, A.Donateo, G.Pappaccogli, F.Scoto, M.Busetto, S.Albertin, S.Bekki, F.Ravetta, J.-C.Raut, C.Cailteau-Fischbach, M.Cesler-Maloney, J.Mao, S.Arnold, B.Temime-Roussel, B.D’Anna, J.Savarino, J.Maillard, E.Ioannidis, K.Doulgeris, D.Brus, D.Atkinson, E.Petersen, H.Iwata, M.Ueyama, Y.Harazono. Composition and 1 Dynamics of the Planetary Boundary Layer in Cold and Dark Atmospheres: Meteorological Overview from the ALPACA-2022 Field Experiment. In review Bulletin of American Meteorological Society.
    3. Pohorsky R., A.Baccarini, N.Brett, B.Barret, S.Bekki, G.Pappacoccogli, E.Dieudonné, B.Temime-Roussel, B.D'Anna, M.Cesler-Maloney, A.Donateo, S.Decesari, K.S.Law, W.R.Simpson, J.Fochesatto, S.R.Arnold, J.Schmale. In situ vertical observations of the layered structure of air pollution in a continental high latitude urban boundary layer during winter. Atmospheric Chemistry and Physics, 25, 3687–3715, 2025. https://doi.org/10.5194/acp-25-3687-2025.
    4. N. Brett, K.S. Law, S.R. Arnold, J. Fochesatto, J.C. Raut, T. Onishi, R. Gilliam, K. Fahey, D.Huff, G. Pouliot, B. Barret, E. Dieudonné, R. Pohorsky, J. Schmale, A. Baccarini, S. Bekki, G.Pappaccogli, F. Scoto, S. Decesari, A. Donateo, M. Cesler-Maloney, W. Simpson, B.D’Anna, B. Temime-Roussel, J. Savarino, S. Albertin, J. Mao, P.F. DeCarlo, V. Selimovic, R. Yokelson. Investigating processes influencing simulation of local Arctic wintertime anthropogenic pollution in Fairbanks, Alaska, during ALPACA-2022. Atmos. Chem. Phys., 25, 1063–1104, 2025. https://doi.org/10.5194/acp-25-1063-2025.
    5. Simpson W.R., J.Mao, G.J.Fochesatto, K.S.Law, P.F.DeCarlo, J.Schmale, K.A.Pratt, S.R.Arnold, J.Stutz, J.E.Dibb, J.Creamean, R.J.Weber, B.Williams, B.Alexander, L.Hu, R.Yokelson, M.Shiraiwa, S.Decesari, C.Anastasio, B.D'Anna, R.Gilliam, A.Nenes, J.M.St.Clair, B.Trost, J.Flynn, J.Savarino, L.Conner, N.Kettle, K.Heeringa, S.Albertin, A.Baccarini, B.Barret, M.Battaglia, S.Bekki, T.J.Brado, N.Brett, D.Brus, J.R.Campbell, M.Cesler-Maloney, S.Cooperdock, K.Cysneiros de Carvalho, H.Delbarre, P.DeMott, C.J.S.Dennehy, E.Dieudonné, K.K.Dingilian, A.Donateo, K.M.Doulgeris , K.C.Edwards, K.Fahey, T.Fang, F.Guo, L.M.D.Heinlein, A.Holen, D.Huff, A.Ijaz, S.Johnson, S.Kapur, D.Ketcherside, E.Levin, E.Lill, A.Moon, T.Onishi, G.Pappaccogli, R.Perkins, R.Pohorsky, J.-C.Raut, F.Ravetta, T.Roberts, E.S.Robinson, F.Scoto, V.Selimovic, M.O.Sunday, B.Temime-Roussel, X.Tian, J.Wu, Y.Yang. Overview of the Alaskan Layered Pollution and Chemical Analysis (ALPACA) field experiment. ACS Environmental Science and Technology Air 2024,1, 200−222. https://doi.org/10.1021/acsestair.3c00076 

    INTERNATIONAL CONFERENCE PROCEEDINGS:

    1. Donateo A., G. Pappaccogli, F. Scoto, N. Brett, R. Pohorsky, G.J. Fochesatto, K.S. Law, J. Schmale, W. Simpson, S. Decesari. Particle deposition on snow at two Arctic sites. Proceedings of the European Aerosol Conference (EAC2025), 31 August -5 September 2025, Lecce (Italy).
    2. Decesari, S., Pappaccogli, G., Scoto, F., Busetto, M., Zangrando, R., Gambaro, A., Spolaor, A., Pohorsky, R., Schmale, J., Fochesatto, J., and Donateo, A. Assessment of aerosol dry depositions and their impact on snow composition at an Arctic urban site, EGU General Assembly 2024, Vienna, Austria, 14–19 Apr 2024, EGU24-18934, https://doi.org/10.5194/egusphere-egu24-18934, 2024.
    3. Brett, N., Law, K. S., Arnold, S. R., Barrett, B., Dieudonné, E., Fochesatto, G. J., Raut, J.-C., Onishi, T., Pohorsky, R., Baccarini, A., Schmale, J., Savarino, J., Albertin, S., Bekki, S., D'Anna, B., Temime-Roussel, B., Simpson, W., Cesler-Maloney, M., Decesari, S., and Donateo, A. and the ISAC, Italy, EPA-Alaska and ADEC: Investigating processes affecting wintertime air pollution variability and estimating contributions of power plant emissions relative to the surface in the stratified Arctic boundary layer , EGU General Assembly 2024, Vienna, Austria, 14–19 Apr 2024, EGU24-15899, https://doi.org/10.5194/egusphere-egu24-15899, 2024.
    4. Pohorsky, R., Baccarini, A., Barret, B., Brett, N., Bekki, S., Dieudonné, E., Pappaccogli, G., Scoto, F., Donateo, A., Busetto, M., Decesari, S., Arnold, S., Fochesatto, J., Simpson, W., Law, K., and Schmale, J.: Analysis of the vertical dispersion of pollution layers in the urban Arctic during the ALPACA 2022 field campaign, EGU General Assembly 2024, Vienna, Austria, 14–19 Apr 2024, EGU24-10025, https://doi.org/10.5194/egusphere-egu24-10025, 2024.
    5. Ramakrishnan S., G. Pappaccogli, D. Keller, A. Donateo, S. Decesari and J. Fochesatto. The Role of Coherent Structures in the Atmospheric Surface Layer accelerating/decelerating the Aerosols Flux surface deposition. AMS 2024 Conference. 24th Symposium on Meteorological Observation and Instrumentation. 28th January - 1st February 2024, Baltimore (USA).
    6. Donateo A., G. Pappaccogli, D. Famulari, F. Scoto, M. Mazzola, S. Decesari. Characterization of size-segregated particles deposition velocity at an Arctic site. Proceedings of the European Aerosol Conference (EAC2023), 3-8 September 2023, Malaga (Spain).
    7. Donateo A., F. Scoto, G. Pappaccogli, M. Busetto, R. Pohorsky, J. Fochesatto, J. Schmale, W. Simpson, S. Decesari. Aerosol deposition on the snowpack during the 2022 ALPACA campaign in Fairbanks (Alaska). Proceedings of the European Aerosol Conference (EAC2023), 3-8 September 2023, Malaga (Spain).
    8. Pappaccogli, G., Donateo, A., Scoto, F., Busetto, M., Pohorsky, R., Baccarini, A., Schmale, J., Barret, B., Bekki, S., Brett, N., Law, K. S., Dieudonné, E., Fochesatto, G. J., Simpson, W., D'Anna, B., Temime-Roussel, B., and Decesari, S. Characterization of size-segregated particles turbulent fluxes in an Arctic city (Fairbanks, Alaska). EGU General Assembly 2023, Vienna, Austria, 24–28 Apr 2023, EGU23-14269, https://doi.org/10.5194/egusphere-egu23-14269, 2023.
    9. Pohorsky, R., Baccarini, A., Barret, B., Brett, N., Pappaccogli, G., Scoto, F., Donateo, A., Busetto, M., Bekki, S., Law, K., Decesari, S., Arnold, S., Fochesatto, J., Simpson, W., and Schmale, J. Wintertime vertical distribution of air pollution in suburban Fairbanks during the ALPACA 2022 field campaign. EGU General Assembly 2023, Vienna, Austria, 24–28 Apr 2023, EGU23-11403, https://doi.org/10.5194/egusphere-egu23-11403, 2023.
    10. Barret, B., Brett, N., Pohorsky, R., Baccarini, A., Schmale, J., Pappacogli, G., Scoto, F., Decesari, S., Donateo, A., Fochesatto, G. J., Simpson, W., Cesler-Maloney, M., Mao, J., Dieudoné, E., Bekki, S., Arnold, S., d'Anna, B., Medina, P., Busetto, M., and Law, K. S. Vertical profiles of pollutants in Fairbanks, Alaska during the ALPACA 2022 field campaign. EGU General Assembly 2023, Vienna, Austria, 24–28 Apr 2023, EGU23-5706, https://doi.org/10.5194/egusphere-egu23-5706, 2023.
    11. Brett, N., Law, K. S., Arnold, S. R., Barret, B., Dieudonné, E., Fochesatto, G. J., Gilliam, R., Onishi, T., Bekki, S., Schmale, J., Pohorsky, R., Baccarini, A., D'Anna, B., Temime-Roussel, B., Decesari, S., Pappaccogli, G., Donateo, A., Scoto, F., Cesler-Maloney, M., and Huff, D. Investigating the relative contributions of power plant and surface emissions to air pollution in Fairbanks, Alaska during the wintertime ALPACA 2022 campaign. EGU General Assembly 2023, Vienna, Austria, 24–28 Apr 2023, EGU23-6258, https://doi.org/10.5194/egusphere-egu23-6258, 2023.
    12. Law K., Brett N., Raut J.C., Onishi T., Ravetta F., Dieudonné E., Barret B., Fochesatto G.J., Arnold S., Roussel B.T., D’Anna B., Albertin S., Cesler-Maloney M., Simpson W.R., Mao J., Roberts T., Pohorsky R., Baccarini A., Schmale J., Decesari S., Donateo A., Pappaccogli G., Scoto F., Gilliam R.G., Fahey K. (2022). Sources and Processes Influencing Local Arctic Wintertime Air Pollution. AGU Fall Meeting, Chicago (USA), 12-16 December 2022.
    13. Dieudonné, E., Brett, N., Fochesatto, G.J., Raut, J.C., D’Anna, B., Temime-Roussel, B., Schmale, J., Pohorsky, R., Baccarini, A., Barret, B., Decesari, S., Donateo, A., Pappaccogli, G., Scoto, F., Busetto, M., Delbarre, H., Bekki, S., Ravetta, F., and Law, K. S. Doppler Lidar Wind Profiling in Fairbanks (Interior of Alaska) During the 2022 ALPACA Field Campaign. EMS Annual Meeting 2022, Bonn, Germany, 5–9 Sep 2022, EMS2022-306. https://doi.org/10.5194/ems2022-306, 2022.
    14. Fochesatto J.G., N. Brett, K. Law, R. Pohorsky, A. Baccarini, B. Barret, G. Pappaccogli, F. Scoto, M. Busetto, E. Dieudonné, S. Albertin, S. Bekki, J. Maillard, M.C. Maloney, J.C. Raut, F. Ravetta, D. Atkinson, T. Roberts, J. Schmale, S. Decesari, A. Donateo, K. Doulgeris, D. Brus, S. Arnold, J. Mao, W. R. Simpson. Overview and First Insights from the ALPACA-PBL Winter Field Campaign. Major Objectives, Instrumentation and Field Results. 17th AMS Conference on Polar Meteorology and Oceanography, Madison, Wisconsin (USA), 8-12 August 2022

    NATIONAL CONFERENCE PROCEEDINGS:

    1. Decesari S., A.Donateo, F.Scoto, G.Pappaccogli, R.Zangrando, A.Spolaor, M.Busetto, F.L.Lovisco, M.Paglione, E.Barbaro, W.R.L.Cairns, A. Gambaro. Inquinamento da particolato atmosferico e deposizioni sul manto nevoso durante l’inverno artico a Fairbanks (Alaska). Atti del XI Convegno Nazionale sul Particolato Atmosferico PM2024 - Torino, 28 – 31 maggio
    2. Donateo A., G.Pappaccogli, F.Scoto, F.L.Lovisco, M.Mazzola, S.Decesari (2024). Studio della velocità di deposizione del particolato atmosferico in un sito Artico. 5° Congresso nazionale AISAM, Lecce, 5-8 Febbraio.
    3. Decesari S., A.Donateo, F.Scoto, G.Pappaccogli, F.L.Lovisco, M.Busetto (2024). Studio del flusso turbolento di particelle in ambiente suburbano polare (Fairbanks, Alaska). 5° Congresso nazionale AISAM, Lecce, 5-8 Febbraio.
    4. Decesari S., Pappaccogli G., Scoto F., Donateo A., Busetto M., Spolaor A., Cappelletti D., Baccarini A., Pohorsky R., Schmale J. (2022). Aerosol e inquinamento dell’aria in una città Artica: risultati dell’esperimento “Alaskan Layered Pollution And Chemical Analysis (ALPACA). Atti del X Convegno Nazionale sul Particolato Atmosferico PM2022 - Bologna, 18 – 20 maggio.